Systeme 1

Kapitel 5Scheduling

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Scheduling• Verteilung und Zuweisung von begrenzten

Ressourcen an konkurrierende ProzesseZeitablaufsteuerung

• Beispiel:– Zwei Prozesse zur gleichen Zeit rechenbereit auf

einem Ein-Prozessor System.– Betriebssystem muss entscheiden, welcher Prozess

als Nächstes läuft.Scheduler

– Entscheidung auf Grund eines Schedulingalgorithmus• Ziel: optimale! Verteilung

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Optimierungsziele• Mehrere verschiedene Optimierungsziele denkbar

Verschiedene Scheduling-Algorithmen• Optimierungsziele

– Alle Systeme• Fairness (“jeder Prozess erhält die CPU”)• Effizienz

– Stapelverarbeitungssysteme• Maximiere mittleren Durchsatz (Anzahl Jobs pro Zeiteinheit)• Minimiere mittlere Durchlaufzeit (Zeit von Prozessstart bis Prozessbeendigung)• Maximiere CPU-Auslastung• Bemerkung: Maximierung des mittleren Durchsatzes und Minimierung der

mittleren Durchlaufzeit sind nicht dasselbe!– Interaktive Systeme

• Minimiere Antwortzeit– Echtzeit-Systeme

• Einhalten von Deadlines

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Beispiel: Feste Prioritäten

• Prozess mit der höchsten Priorität erhält CPU• Problem: Livelock für Prozesse mit geringer Priorität– Fairness nicht garantiert!

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Schedulingalgorithmen: Charakteristika

• Prozessauswahl:– Bestimmt nächsten Prozess für CPU-Zuteilung– Basierend auf Ressourcenbenutzung, Prioritäten, …– Insbesondere:

• w (Wartezeit auf CPU)• e (bisher verbrauchte CPU-Zeit)• s (insgesamt benötigte CPU-Zeit)

• Zeitpunkt der Auswahlentscheidung:– Nicht-präemptives Scheduling:

• CPU kann einem Prozess nur entzogen werden, wenn er beendet ist, oder auf Ein-/Ausgaben wartet.

– Präemptives Scheduling :• Aktueller Prozess kann unterbrochen werden durch sog. Interrupts.

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First Come First Served (FCFS)• Nicht-präemptiv• Strategie:

Wenn ein Prozess beendet ist oder blockiert, kommt der Prozess an die Reihe, der schon am längsten wartet.

• Analyse :– FCFS begünstigt lange Prozesse, kurze Prozesse können

durch lange Prozesse stark verzögert werden.– FCFS begünstigt Prozesse ohne Ein-/Ausgabe (die den

Prozessor vor Beendigung nicht abgeben).

FCTS alleine nicht sehr interessant.

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Shortest Job First (SJF)

• Nicht-präemptiv• Strategie: – Benutzt Abschätzungen der Gesamtlaufzeit von

Prozessen. – Prozess mit kürzester geschätzter Laufzeit erhält

CPU als erstes. Minimiert durchschnittliche Durchlaufzeit

= durchschnittliche Wartezeit

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Shortest Job First (SJF) - Beispiel• Prozesse A, B, C, D– Laufzeit von A = 8 Min. und Laufzeit von B, C, D = 4 Min.– Alle Prozesse gleichzeitig rechenbereit

• Variante 1: – Reihenfolge A, B, C, D– Wartezeit bis Prozess beendet:

• A = 8 Min., B = 12 Min., C = 16 Min., D = 20 Min.• Durchschnittliche Wartezeit 14 Min.

• Variante 2: SJF – Reihenfolge B, C, D, A– Wartezeit: B = 4 Min., C = 8 Min., D = 12 Min., A = 20 Min.

• Durchschnittliche Wartezeit 11 Min.

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Shortest Job First (SJF)• Allgemein:

Prozess 1: Laufzeit t1, Wartezeit t1Prozess 2: Laufzeit t2, Wartezeit t1+ t2......Prozess N: Laufzeit tn, Wartezeit t1+ t2 +…+ tn

=> durchschnittliche Durchlaufzeit:

D.h. kürzeste durchschnittliche Durchlaufzeit, wenn t1 bis tn aufsteigend nach Laufzeit sortiert.

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Shortest Job First (SJF)

• Analyse– SJF begünstigt kurze Prozesse.– Antwortzeit für lange Prozesse variiert stark in

Abhängigkeit von der Zahl der kürzeren Jobs. – Livelock für lange Prozesse möglich.– Problem : Wie erhält man Abschätzungen der

Gesamtlaufzeit von Prozessen?SJF nicht geeignet für Allzweck-OS.Eher für Stapelverarbeitungssysteme

(Mainframes).

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Shortest Remaining Time (SRT)• Präemptiv• Strategie: – Benutzt Abschätzungen der Restlaufzeiten von

Prozessen. – Prozess mit kürzester geschätzter Restlaufzeit erhält

CPU. – Keine Unterbrechungen laufender Prozesse durch

Timer. Auswertung der Restlaufzeiten nur, wenn ein neuer Prozess gestartet wird.

• Analyse:– Ähnliche Probleme wie SJF.

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Highest Response Ration Next (HRRN)

• Nicht-präemptiv• Strategie:

– Basiert auf • rt = geschätzte Laufzeit eines Prozesses• wt = Wartezeit eines Prozesses (bisher angesammelte Wartezeit)• “Response ratio” rr = (rt + wt) / rt• Ein Prozess startet mit rr = 1.0.

– Der Prozess mit der höchsten response ratio rr erhält die CPU als erster.

• Analyse:– Für kurze Prozesse wächst rr schnell an.– HRRN begünstigt kurze Prozesse (wie SJF und SRT).– Aber: Keine Livelocks für längere Prozesse.– Ähnliches Problem wie SJF, SRT: Laufzeitabschätzungen

benötigt.WS 2009/10 12

Round Robin (RR)• Präemptiv• Strategie:

– Scheduler wird nach Ablauf fester Zeitintervalle immer wieder (periodisch) aktiviert (“Zeitscheiben”, „Quanten“).• Quantum bei realen Systemen ~ 20-100 ms

– Laufender Prozess wird dann in eine Warteschlange wartender Prozesse eingefügt.

– Der am längsten wartende Prozess wird aktiviert.• Analyse:

– Länge der Zeitscheiben ist essentiell • Zu kurz: Overhead durch viele Prozesswechsel• Zu lang: Ähnlich FCFS

– RR begünstigt Prozesse ohne Ein-/Ausgabe etwas. – Prozesse mit Ein-/Ausgabe geben CPU ab, bevor ihre Zeitscheibe

abgelaufen ist, erhalten dafür aber keine “Gutschrift”.WS 2009/10 13

Feedback

• Präemptiv• Problem: – Laufzeitberechnung nur ganz selten möglich.

• Idee:– Nutze bereits verbrauchte CPU Zeit als Kriterium.

• Strategie:– Muss ein Prozess die CPU abgeben wird er in eine

Warteschlange niederer Priorität eingefügt.– Da die Zeitintervalle eine feste Größe haben,

modellieren Warteschlangen verschiedener Prioritäten verbrauchte CPU-Zeit.

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Feedback

• Alle Warteschlangen FCFS, letzte Warteschlange RR.WS 2009/10 15

Feedback

• Analyse– Prozesse, die in der Vergangenheit viel CPU Zeit

verbraucht haben, werden bestraft.– Lange Jobs werden bestraft (können „verhungern“).

• Abhilfe:– Wechseln von niedrigster Priorität zurück in die höchste.– Neuberechnung der Priorität in gewissen Zeitabstände unter

Einbeziehen von Wartezeit etc....

Feedback-Scheduling wird in modifizierter Form auf verschiedenen UNIX Systemen eingesetzt.

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Garantiertes Scheduling• Strategie– Gebe Benutzern / Prozessen Garantien, die einzuhalten

sind.– n Prozesse gleicher Priorität:

• jedem wird 1/n der CPU versprochen– Dynamische Priorität =

(garantierte Zeit) / (tatsächlich verbrauchte Zeit) , – Wobei

garantierte Zeit = (Zeit seit Prozesserzeugung) / n– Bediene Prozesse in Reihenfolge fallender Priorität.

• Hier: Gleichbehandlung, keine Unterscheidung zwischen CPU-lastigen und interaktiven Prozessen.

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Lotterie Scheduling

(Waldspurger, Weihl, 1994)• CPU-Zeit wird in regelmäßigen Abständen verlost.• Wichtige Prozesse haben mehr Lose als andere.• Weitergabe von Losen zwischen kooperierenden

Prozessen ist möglich.

Ähnlich vorhersagbarer CPU-Anteil wie bei „Garantiertem Scheduling“.

Einfachere ImplementierungWS 2009/10 18

Zusammenfassung

• Es gibt viele verschiedene Scheduling-Strategien.• Qualität verschiedener Ansätze hängt ab von

Anwendung / Anforderung.• Exakter Vergleich schwierig, da meistens

Kostenfunktion / genaue Ziele des Scheduling nicht formal spezifiziert sind.

• Meist Analyse durch Simulationen.

• Analytische Methoden: WarteschlangentheorieWS 2009/10 19